Komitet Nauk Geologicznych PAN, część 2
February 4, 2020
← poprzednia notka |Kolejna część komentarza do stanowiska Komitetu Nauk Geologicznych PAN. Część trzecia ukaże się pod koniec tygodnia. Link do części poprzedniej.
Zmienność temperatur w skali setek tysięcy lat (plejstocen)
Dla ostatnich 800 tys. lat są dostępne informacje o poziomie CO₂ i temperaturze oparte o analizę powietrza uwięzionego w lodzie Antarktydy (projekty EPICA i Vostok). Wartość paleotemperatur określono metodą stosunków izotopów tlenu ¹⁶O/¹⁸O. Obie wartości (CO₂ oraz T°C) są silnie skorelowane, ale wzrost temperatury z reguły nieznacznie wyprzedza wzrost poziomu CO₂ (Fig. 2). Od ok. 450 tys. lat miały miejsce cztery pełne cykle ocieplenia klimatu do podobnego (a nawet wyższego) poziomu temperatury, jaki jest obserwowany obecnie, i wzrostu stężenia CO₂ do wartości ok. 300 ppm. Piąta analogiczna faza zaczęła się ok. 12 tys. lat temu i znajduje się na etapie maksimum temperaturowego. Amplituda zmian temperatury w plejstocenie sięgała 10°C i z pewnością nie była spowodowana działalnością człowieka. Uważa się, że przyczyną były okresowe zmiany parametrów orbitalnych Ziemi w jej obiegu wokół Słońca (tzw. cykle Milankowicza). Te obserwacje zdają się wskazywać, że wzrost poziomu CO₂ w atmosferze do wartości ok. 300 ppm jest raczej skutkiem niż przyczyną wzrostu temperatury globu, co nie wyklucza sprzężenia zwrotnego: wzmacniania trendu wzrostowego temperatury przez CO₂.
Niby tak, ale nie do końca, bo niemal każde zdanie zawiera jakąś nieścisłość.
Po pierwsze brakuje informacji, że na wykresie przedstawiono lokalne zmiany temperatury, rekonstruowane dla lokalizacji z której dokonano odwiertu, i lokalnych wartości dotyczy odnotowana amplituda 10°C. Zmiany globalne miały amplitudę mniejszą, najnowsze oszacowania [1] wskazują że było to około 6°C.
Po drugie, rekonstrukcja temperatury jest oparta o analizę zawartości ciężkiego izotopu wodoru (deuteru), a nie tlenu ¹⁸O w cząsteczkach wody tworzących lądolód [2]. Gdyby geolodzy z KNG PAN sięgnęli do artykułu opisującego te dane, zamiast opierać się o znaleziony w internecie pierwszy lepszy obrazek, zapewne nie popełniliby takiej pomyłki.
Po trzecie, choć rekonstruowane zmiany temperatury na Antarktydzie poprzedzały wzrost zawartości dwutlenku węgla w atmosferze, nie jest to prawdą w odniesieniu do średniej temperatury całego globu [3].
Po czwarte, poziom 300 ppm został w ciągu ostatnich 800 tysięcy lat osiągnięty tylko dwukrotnie: 335 tysięcy lat temu, oraz 108 lat temu [4]. O ile w pierwszym przypadku przyczyny tego były naturalne, to wzrost zawartości dwutlenku węgla mierzony od początku ery industrialnej naturalny oczywiście nie jest. Więcej na ten temat poniżej.
Zmienność temperatur w skali setek lat (okres historyczny)
W ramach piątego maksimum klimatycznego, w którym się znajdujemy, temperatura na Ziemi rośnie od min. 300 lat (Fig. 3), począwszy od minimum klimatycznego tzw. Małej Epoki Lodowej (MEL, ang. LIA). W okresie MEL, ludzie przemieszczali się zimą saniami poprzez całkowicie zamarznięty Bałtyk. Z kolei przed MEL, ok. 850 lat temu, ludzkość doświadczała uroku Średniowiecznego Optimum Klimatycznego, kiedy temperatura na Ziemi była wyższa niż obecnie.
Zacznijmy od wykresu. KNG PAN oznaczyło jako jego źródło “IPCC Annual Report, 2013”, choć tak naprawdę jest to “Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change” (rozdział piąty, rys. 5.7), i nie jest raportem rocznym (te zawierają sprawozdania finansowo-organizacyjne panelu). Podpisało go też jako “fluktuacje temperatury globalnej”, mimo że nawet na samym wykresie jest przecież etykieta “półkula północna”. Ta pomyłka jest tym dziwniejsza, że kompletna ilustracja z raportu IPCC zawiera wykres również dla temperatury globalnej:
Podejrzewam więc, że autorzy stanowiska KNG PAN nie widzieli tego wykresu w oryginale, tylko skorzystali z okrojonej wersji którą gdzieś znaleźli w internecie. Co gorsza, nie jestem nawet pewien, czy dobrze się mu przyjrzeli, skoro twierdzą że 850 lat temu “temperatura na Ziemi była wyższa niż obecnie”. Wykres pokazuje, że była niższa, zarówno na obszarze samej półkuli północnej, jak i całego globu. Naukowców z KNG PAN zmyliło jak sądzę to, że przedstawiono na nim trzy grupy rekonstrukcji: te obejmujące całą półkulą północną, obejmujące tylko powierzchnię lądów, i obejmujące tylko powierzchnię lądów powyżej trzydziestego równoleżnika północnego. Cienka niebieska linia (oznaczona jako “CL12loc”), która pokazuje najcieplejsze średniowiecze, to rekonstrukcja z pracy “The extra-tropical Northern Hemisphere temperature in the last two millennia: reconstructions of low-frequency variability” Christiansena i Ljungqvista [5], która była oparta wyłącznie o proxy lądowe spoza tropików półkuli północnej, i powinna być porównywana z obserwacjami przeprowadzonymi na tym samym obszarze (czarna linia kropkowana). Amplituda zmian temperatury na wyższych szerokościach geograficznych była większa, ale wyższe jest też obecne tempo ocieplenia lądów; i dawno już przewyższyło maksymalny poziom osiągnięty w tej rekonstrukcji.
Dziwi mnie też, że geolodzy z KNG PAN nie cytują ustaleń PAGES2k. Można byłoby przecież oczekiwać, że jeśli ktoś chciałby podsumować stan badań nad zmianami klimatu z ostatnich 2000 lat, to powinien wiedzieć o dużym międzynarodowym projekcie poświęconym dokładnie temu zagadnieniu, którego najnowsze ustalenia opublikowano w ubiegłym roku. Oczywiście, gdyby geolodzy z KNG PAN zajrzeli do publikacji PAGES2k, odkryliby że współczesne globalne ocieplenie jest nie tylko najcieplejszym okresem naszej ery [6], ale też jedynym, w którym ocieplenie następuje niemal na całej powierzchni planety [7].
Zamiast tego wolą opowiadać bajki o podróżach saniami przez całkowicie zamarznięty Bałtyk.
Zasadniczą różnicą między okresowymi wzrostami temperatury globalnej w ciągu ostatniego miliona lat a czasami współczesnymi wydaje się być tempo tych zmian. Uważa się, że dziś jest ono znacząco wyższe niż dawniej. Niepewność polega na tym, że nie potrafimy porównać dawnej dynamiki wzrostu temperatury i koncentracji CO₂ z dynamiką dzisiejszą. Współcześnie mamy do dyspozycji długie i ciągłe serie czasowe pomiarów temperatury, które wykonujemy termometrami naziemnymi lub przyrządami umieszczanymi na satelitach bądź w balonach o zasięgu stratosferycznym. Informacje o temperaturze na dawnej Ziemi pozyskujemy metodami pośrednimi, których wyniki są obarczone niepewnością co do rzeczywistej wartości temperatury oraz czasu (wieku geologicznego). Jest zatem możliwe, że dawniej tempo zmian temperatury było podobne do dzisiejszego, ale niepełne ciągi danych, założenia metodyczne oraz uśrednienia i uogólnienia interpretacyjne nie pozwalają na pełną obserwację rzeczywistych przebiegów zmian temperatury i koncentracji CO₂. W konsekwencji, obserwowane współcześnie tempo wzrostu temperatury nie może być traktowane jako dowód na to, że naturalny proces wzrostu temperatury na Ziemi został w zauważalnym stopniu wzmocniony przez efekt cieplarniany, związany z antropogenicznym CO₂. Wskazuje na to również wyraźny epizod ocieplenia w latach trzydziestych dwudziestego wieku — na terytorium dzisiejszej Polski zanotowano wówczas najwyższe temperatury, odnotowane ponownie dopiero w 2019 roku.
Wypada zacząć od tego, że obserwowane współcześnie tempo wzrostu temperatury nie jest samo w sobie dowodem tego, że ocieplenie jest konsekwencją wzmocnienia efektu cieplarnianego. Dowody potwierdzające dominującą rolę czynników antropogenicznych opierają się o porównanie przewidywań teoretycznych zmian klimatu ze zmianami rzeczywistymi, zarówno w czasie jak i przestrzeni [8]. Gdyby ludzkość emitowała mniej dwutlenku węgla, i w konsekwencji zawartość tego gazu w atmosferze rosła znacznie wolniej, obserwowalibyśmy ocieplenie przebiegające w wolniejszym tempie (jest nawet hipoteza, zwana “wczesnym antropocenem”, która postuluje że coś takiego zdarzyło się w połowie holocenu, dzięki deforestacji, rozwojowi rolnictwa i hodowli bydła [9]). Szybkie tempo zmiany klimatu ułatwia natomiast badanie ich przyczyn, bo dzięki zwiększeniu stosunku sygnału do szumu nie musimy prowadzić długich obserwacji, aby statystycznie potwierdzić przewidywany efekt.
Mierzony w ostatnich kilku dekadach trend temperatury globalnej wynosi około 0,02°C rocznie, czyli 2 stopnie na stulecie. Możemy spokojnie wykluczyć, że podobne globalne ocieplenie trwające dłużej niż 1000 lat zaszło w ciągu ostatnich kiludziesięciu milionów lat: oznaczałoby to zmianę średniej temperatury globalnej o ponad 20 stopni Celsjusza, co spowodowałoby masowe wymieranie wielu gatunków, i byłoby łatwo dostrzegalne w zapisie kopalnym nawet jeśli rozdzielczość czasowa rekonstrukcji zmiany temperatury nie pozwalałaby na stwierdzenie, że do wzrostu temperatury doszło.
Z drugiej strony, możemy też z dużym prawdopodobieństwem wykluczyć, aby takie tempo wzrostu temperatur było podtrzymane dłużej niż 50 lat w ciągu ostatnich 2000 lat, co prowadziłoby do zmian o amplitudzie 1 stopnia Celsjusza. Gdyby coś takiego miało miejsce, byłoby to widoczne na przykład w rekonstrukcji PAGES2k, o której mowa powyżej.
Pomiędzy tymi dwoma skrajnymi przypadkami rozciąga się przestrzeń możliwych trendów o długości od kilkudziesięciu do powiedzmy stu czy dwustu lat z gorzej poznanych okresów, które mogłyby być niewykryte w danych proxy, na przykład sprzed kilku czy kilkuset tysięcy lat. W praktyce możemy uznać, że jest to mało prawdopodobne: jak pisałem w poprzedniej części komentarza, każda zmiana klimatu ma swoją przyczynę, i aby spowodować ocieplenie analogiczne w skali do obecnego, takimi przyczynami mógłby być tylko bardzo szybki (w skali geologicznej) wzrost zawartości gazów cieplarnianych w atmosferze, albo bardzo szybki wzrost jasności Słońca, co najmniej o 1%.
Szybki wzrost poziomu dwutlenku węgla w atmosferze byłby zauważalny w rekonstrukcjach składu atmosfery opartych o rdzenie lodowe (nawet przy zmniejszonej amplitudzie, będącej konsekwencją dyfuzji powietrza w firmie); możemy więc znów z dużą dozą pewności wykluczyć, że taki wzrost zdarzył się w ciągu ostatnich 800 tysiącach lat. Oczywiście, dwutlenek węgla nie mógłby się w atmosferze pojawić znikąd, i nie jest łatwo wymyślić, co mogłoby być źródłem porównywalnym ilościowo z 650 gigatonami węgla, które zostały przez ludzkość uwolnione do atmosfery w ciągu ostatnich 200 lat. Używając proxy geochemicznych można oszacować, że maksymalne tempo emisji dwutlenku węgla do atmosfery w ciągu ostatnich 66 milionów lat było o rząd wielkości mniejsze, niż obecne emisje antropogeniczne [10], a zatem i spowodowana przez nie zmiana klimatu miała mniejsze tempo niż obecne ocieplenie.
Analogicznie, istniejące rekonstrukcje aktywności słonecznej dla okresu holocenu (~11 tysięcy lat) wskazują, że zmienność irradiancji słonecznej w tym okresie jest o rząd wielkości mniejsza od wymaganego 1% [11]. Dłuższych serii proxy słonecznych (na razie) nie mamy [12], więc można sobie wyobrazi scenariusz, w którym kilka milionów lat temu doszło, na tylko 100 czy 200 lat, do nagłego pojaśnienia Słońca, co doprowadziło do krótkotrwałego globalnego ocieplenia o skali i tempie porównywalnym z obecnym, po czym jasność równie szybko spadła, powodując spadek temperatury zanim doszło do zmian środowiska, które zostawiłyby ślad w zapisie geologicznym (jak np. stopnienie części lądolodów i zmiana oceanicznego δ¹⁸O). Podkreślę jednak, że nie ma jednak żadnych dowodów na to, że coś takiego się zdarzyło, więc jest to scenariusz czysto spekulatywny.
Nawet jednak gdyby coś takiego się faktycznie dawno temu zdarzyło, to nie ma to żadnego związku z przyczynami obecnej zmiany klimatu. Wiemy przecież, jak zmieniała się aktywność słoneczna w ostatnich dekadach, i że nie może być ona odpowiedzialna za obserwowane ocieplenie. Wiemy też, że ludzkość spowodowała wzrost zawartości dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych w atmosferze, i że wynikający z tego wzrost temperatury w zupełności wystarcza, by wytłumaczyć obserwowane zmiany.
Fragmentu o ociepleniu w Polsce w latach 30-tych dwudziestego wieku nie rozumiem, i nie wiem co ma wspólnego z resztą wywodu geologów KNG PAN. Miniona dekada 2010-2019 była średnio o 1,2°C cieplejsza od lat 30-tych (zarówno jeśli chodzi o temperatury roczne, jak i letnie), chociaż faktycznie lata 30-te były wówczas najcieplejszym okresem od początku prowadzenia obserwacji. Lokalne zmiany temperatur charakteryzują się jednak znacznie większą wariancją niż średnie obliczane dla obszaru całej planety, i nie powinno nikogo dziwić, że na długoletni trend nałożona jest krótkookresowa zmienność wystarczająca, by raz na na jakiś czas wygenerować rekord temperatury maksymalnej.
Od ok. 1958 roku poziom CO₂ w atmosferze (316 ppm, punkt początkowy tzw. krzywej Keelinga, bliski średniej z poprzednich okresów maksymalnego ocieplenia: Fig. 2) zaczął rosnąć i w roku 2018 osiągnął poziom 413 ppm. Wzrost ten jest silnie skorelowany z antropogeniczną emisją CO₂ oraz ze wzrostem temperatury. Wzrost temperatury zaczął się jednak ok. 1920, czyli 30 lat wcześniej, a jego poziom, póki co, nie odbiega znacząco od poziomów znanych z poprzednich cykli ocieplenia. Średnia temperatura mierzona w dolnych warstwach atmosfery oscyluje w ciągu ostatnich 40 lat wokół średniej wieloletniej (Fig. 4), choć z drugiej strony, ostatnie dwie dekady były cieplejsze niż wyliczona średnia wieloletnia. Naszym zdaniem dane te przekonywująco dowodzą, że wzrost poziomu CO₂ w atmosferze wiąże się z działalnością człowieka, natomiast nie stanowią twardego dowodu, że wzrost temperatury jest jedynie wynikiem wzrostu poziomu CO₂. IPCC (cyt. za Annual Report 5) wyciągnął z tych danych odmienny wniosek: “The best estimate of the human induced contribution is similar to the observed warming over this period”. Według IPCC można zatem wykazać, że ten wzrost jest spowodowany działalnością człowieka, aczkolwiek sami autorzy Raportu stwierdzają, że związek pomiędzy działalnością człowieka a wzrostem temperatury jest tylko „prawdopodobny” (Anthropogenic forcings have likely made a substantial contribution to surface temperature increases since the mid-20th century over every continental region except Antarctica).
Stanowisko KNG PAN sugeruje tutaj, że do końca lat 50-tych XX wieku poziom dwutlenku węgla w atmosferze był bliski maksimum z poprzednich interglacjałów, i zaczął rosnąć dopiero w 1958 roku. Nie jest to interpretacja właściwa: kiedy Charles Keeling zaczął prowadzić systematyczne pomiary na Mauna Loa, koncentracja CO₂ była już daleko poza zakresem naturalnych wahań w końcu plejstocenu.
Zmiany zawartości dwutlenku węgla w atmosferze w oparciu o kompilację kilku rdzeni lodowych z Antarktydy. Wykres lewy pokazuje 800 tysięcy lat, wykres prawy zbliżenie na koniec ostatniej epoki lodowej i holocen. Linia przerywana czarna oznacza poziom z 1958 roku, linia przerywana czerwona poziom z roku 2020.
W samym holocenie poziom dwutlenku węgla najpierw osiągnął 270 ppm, w ciągu 3 tysięcy lat spadł o 10 ppm, po czym znowu zaczął rosnąć około 7 tysięcy lat temu, osiągając 280 ppm na początku naszej ery. Wraz ze wzrostem liczby ludności oraz nastaniem ery industrialnej szybko rosnąca emisja dwutlenku węgla, zarówno ze spalania paliw kopalnych, jak i wylesiania, spowodowała opuszczenie zakresu naturalnej zmienności wahań CO₂ już po roku 1800. W momencie rozpoczęcia pomiarów przez Keelinga, 150 lat później, był już o 35 ppm wyższy niż wartości przedindustrialne.
Jak wyżej, ale pokazano ostatnie 2020 i 270 lat. Średnie roczne wartości zmierzone na Mauna Loa narysowano kolorem czerwonym.
Nie powinno więc dziwić, że wzrost temperatury planety nie zaczął się w latach 50-tych, tylko znacznie wcześniej. Wymuszenie radiacyjne związane ze wzrostem poziomu dwutlenku węgla z 280 do 300 ppm (czyli stanu z początku XX w.) można oszacować na około 0,37 W/m² [13], co przy założeniu standardowego zakresu czułości klimatu (1.5-4.5K na podwojenie CO₂) odpowiadałoby równowagowej zmianie temperatury globalnej o 0,28±0,18 stopnia Celsjusza. W połączeniu z naturalną zmiennością klimatu, oraz wymuszeniami radiacyjnymi naturalnego pochodzenia, wystarcza to w zupełności do wytłumaczenia wzrostu temperatury, który nastąpił w pierwszej połowie XX wieku i wcześniej. Bardziej skomplikowane obliczenia, prowadzące do podobnych wniosków, można znaleźć np. w [14] i [15].
Wbrew temu co twierdzą geolodzy z KNG, średnia temperatura dolnej troposfery w ostatnich 40 latach nie oscylowała wokół średniej wieloletniej (z niezrozumiałych dla mnie powodów stanowisko znów zawiera wykres z bloga, który w dodatku kończy się w lutym 2018). W zależności od użytej serii pomiarowej, trend liniowy temperatury globalnej w okresie 1979-2019 wynosił od 0,13 do 0,21 stopnia na dekadę [16][17].
Na koniec zwrócę jeszcze uwagę, że autorzy stanowiska KNG nie zrozumieli wniosków zawartych w raporcie IPCC (przy okazji, “AR” to skrót od “Assessment Report”, a nie “Annual Report”). “Bardzo prawdopodobny” z pierwszego cytatu odnosi się do globalnego wzrostu temperatury, “prawdopodobny” zaś do trendów regionalnych, gdzie prób atrybucji dokonywano dla każdego kontynentu osobno [18]. Ponieważ wariancja szeregów czasowych temperatury wzrasta w mniejszych skalach przestrzennych, udowodnienie że lokalne ocieplenie zostało spowodowane przez człowieka jest trudniejsze, a zatem i poziomy ufności są inne.
Cytowana literatura
1. Tierney J., et al. (2020): “Glacial cooling and climate sensitivity revisited”, https://eartharxiv.org/me5uj/. To jeszcze nierecenzowany preprint, ale zawiera też syntezę innych świeżych prac na ten temat.
2. Jouzel J., et al (2007): “Orbital and Millennial Antarctic Climate Variability over the Past 800,000 Years”, doi: 10.1126/science.1141038.
3. Shakun J. D., et al. (2012): “Global warming preceded by increasing carbon dioxide concentrations during the last deglaciation”, doi: 10.1038/nature10915.
4. Bereiter B., et al. (2015): “Revision of the EPICA Dome C CO2 record from 800 to 600 kyr before present”, doi: 10.1002/2014GL061957, Lüthi D., et al. (2008): “High-resolution carbon dioxide concentration record 650,000-800,000 years before present”, doi: 10.1038/nature06949.
5. Christiansen B. i Ljungqvist F. C. (2012): “The extra-tropical Northern Hemisphere temperature in the lasttwo millennia: reconstructions of low-frequency variability”, doi: 10.5194/cp-8-765-2012.
6. PAGES2k Consortium (2019): “Consistent multidecadal variability in global temperature reconstructions and simulations over the Common Era”, doi: 10.1038/s41561-019-0400-0.
7. Neukom R., et al. (2019): “No evidence for globally coherent warm and cold periods over the preindustrial Common Era”, doi: 10.1038/s41586-019-1401-2.
8. Np. Jones G. S., Stott P. A., Christidis N. (2013): “Attribution of observed historical near‒surface temperature variations to anthropogenic and natural causes using CMIP5 simulations”, doi: 10.1002/jgrd.50239.
9. Ruddiman W. F. (2013): “The Anthropocene”, doi: 10.1146/annurev-earth-050212-123944.
10. Zeebe R. E., Ridgwell A., Zachos J. C. (2016): “Anthropogenic carbon release rate unprecedented during the past 66 million years”, doi: 10.1038/ngeo2681.
11. Np. Rooth R., Joos F. (2013): “A reconstruction of radiocarbon production and total solar irradiance from the Holocene ¹⁴C and CO₂ records: implications of data and model uncertainties”, doi: 10.5194/cp-9-1879-2013, Vieira L. E. A., et al. (2011): “Evolution of the solar irradiance during the Holocene”, doi: 0004-6361/201015843.
12. Rekonstrukcje aktywności słonecznej opierają się o relacje statystyczne pomiędzy liczbą plam słonecznych, oraz tempem produkcji radioaktywnych izotopów ¹⁴C i ¹⁰Be w atmosferze przez cząstki promieniowania kosmicznego, które modulowane jest intensywnością pola magnetycznego Słońca, i które można oszacować badając zawartość tych izotopów w słojach drzew i rdzeniach lodowych. Systematyczne liczenie plam słonecznych zaczęło się niespełna 400 lat temu; a izotopy ¹⁴C i ¹⁰Be mają ograniczoną użyteczność przed początkiem holocenu. Pewne nadzieje wiąże się z proxy opartym o zawartość jonów azotanowych z rdzeni lodowych, ale na razie nie opracowano jeszcze wykorzystujących ich rekonstrukcji.
13. Etminan M., et al. (2016): “Radiative forcing of carbon dioxide, methane, and nitrous oxide: A significant revision of the methane radiative forcing”, doi: 10.1002/2016GL071930.
14. Abram N. J., et al. (2016): “Early onset of industrial-era warming across the oceans and continents”, doi: 10.1038/nature19082.
15. Haustein K., et al. (2019): “A Limited Role for Unforced Internal Variability in Twentieth-Century Warming”, doi: 10.1175/JCLI-D-18-0555.1.
16. Seria TLT UAH v6.0 (link do danych).
17. Seria TLT RSS v4.0 (link do danych).
18. IPCC (2013): “Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change”, sekcja “10.3.1.1.4 Attribution of regional surface temperature change” w rozdziale dziesiątym (link).